永磁调速系统+vs+VFD+与节能.docx

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永磁调速系统+vs+VFD+与节能

PMD—永磁调速器

1．适用范围

　　输出功率10~2500KW

　　转速：

0~3600RPM

　　实现负载过程控制

　　替代变频器进行节能改造

　　窄小的安装空间，和恶劣的工作环境

不控电机，直接对负载进行控制

2．工作原理

　　PMD一般由三个部分组成，一是和电机连接的导磁体，二是与负载连接的永磁体，这两个转动体之间有一定的空气间隙，三是一个執行器，執行器包括手动控制和信号电控两种。

通过執行器调节两个转体之间空气间隙的大小，通过负载扭矩的调节实现负载输出速度的控制。

　　PMD是通过调节扭矩来实现速度控制，电机输出到PMD的扭矩和PMD输出到负载的扭矩是相等的。

这样，我们可以根据负载实际运行过程中扭矩的大小来调整电机输出端（PMD输入端的扭矩）。

负载要求扭矩小，电机输出扭矩小，相应输出功率也小。

　　PMD输入速度（电机端）和输出速度（负载端）是不一样的，PMD两个转体之间的空气间隙的存在，使得输出速度要比输入速度小，这叫“滑差”,滑差大小决定传递扭矩的大小也达成了速度控制的目的。

　　当PMD接到一个控制信号后，如压力，流量，液面高度等信号传到PMD的執行器，執行器对信号进行识别和转换后，调节导磁体与永磁体之间的间隙大小，从而根据适时的负载输入扭矩的要求，调节PMD输入端的扭矩大小，来最终改变电机输出功率大小，实现电机节能和提高电机工作效率。

3．PMD根据分类

功率大小

冷却方式

安装方式

小于300KW

空气冷却式

水平或垂直安装

大于300KW

水冷却式

水平或垂直安装

4．技术优势

--优秀的节能效果，可根据负载类型实现25%~66%的节能效果。

--总体运行成本低。

--电机能实现更为平稳和渐进的柔性启动/停止。

--对各种负载可以实现精确控制与调节，精度达到1%。

--有过载保护功能，有效地保护电机。

　　PMD如何节能？

　　调速

　　当系统运转时，负载端的速度由空气间隙的宽度决定。

速度根据负载需要的扭矩来改变空气间隙来调节。

电机消耗的能量只是负载需要的能量加上使得负载转动所需的能量。

根据实际应用，在全速运转时，PMD的工作效率能达到98%以上，而透过PMD调速后的能耗则降低到原来能耗的75%~33%。

PMD是工程师最有效率的调速选择，甚至比最高质量的变频器都要节能（变频器需计入散热,移除热量所需高耗能）。

但是，PMD相对于其他调速装置的优点不仅限于节能。

安装PMD之后，在对系统的总体评估中，总回报提高、节能效果、生产能力提高、设备寿命延长、维修率下降以及运行负担的减少都很明显。

　　电机类型

　　有两种不同的设计方案可以只选择较小型号的电机。

第一种是电机类型适于启动负载；第二种是电机适应于振动或负载的瞬时峰值。

　　大部分工业电机都符合国际电气制造业协会B标准曲线图（即下图）。

当电机启动时，所需要的扭矩是额定扭矩的150%。

随着电机速度的增大，所需要的扭矩下降，在大约30%速度时跌至它的最低点。

当电机加速时，所要求的扭矩通常大于额定扭矩的200%。

　　PMD允许电机在负载扭矩可用前加速，这使得电机在启动时能够传递峰值扭矩和加速度。

同时，由于电机风扇一直在全速转动，可以使电机能够冷却下来。

　　如果电机不是按照负载而是按照启动惯性划分型号的话，PMD通常可以允许工程师指定一个较小的电机。

选择较小的电机所带来的节约，贯穿于这个具有较小的电机启动装置、开关装置和线路的整体系统中。

在使用这种方法时，设计一定要慎重，以保证电机的型号适用于整个运行环境。

　　PMD的另一个特性就是扭矩的大小的传递是与空气间隙的宽度成比例的。

这就避免了由电机传递给负载的瞬间的冲击。

在多数情况下，对负载的冲击很快就在系统中断前自动消除了。

能够引起这种冲击负载的电机能够用一个小型电机代替。

存在严重的水锤现象和气穴现象的设备在安装了PMD以后，这些现象全都消失了。

　　电机电压

　　PMD不是一种电力装置，电机电压不会影响运行。

在很多情况下，设计较高的电压，电机可以提高能效，降低设备成本。

　　PMD如何延长设备寿命？

　　振动和偏心

　　80%以上的转动设备都是由于振动而出现故障的，大多数的振动都是因为轴心偏移，另外是由于设备的不平衡和共振。

振动会破坏密封圈的弹力，升高轴承和设备的温度。

PMD提供了一种最好的解决振动方法。

PMD减振的关键在于通过空气间隙传递扭矩，而没有直接的物理连接。

空气间隙最小为1/8英寸。

　　偏心是安装和维修成本的主要原因。

一般可允许的偏离为0.002”甚至更小，需要激光对心。

PMD允许0.030”的偏离而且没有振动，直接就可以进行对心安装。

　　由于电机和负载的轴端没有直接的物理连接，故障也大大减少，振动不会传递。

因此可以很简单的解决驱动系统的问题，而不需要不断的监管设备和聘请专家。

　　功率质量

　　PMD不会受功率质量的影响，在功率质量很差或者在低压期间都可以工作。

只要有有效的能量使电机转动，PMD就可以工作。

同时，PMD也不会影响设备的功率质量。

PMD不会产生谐波，瞬时高压或者其他与功率质量有关的问题。

PMD实质上不会影响功率质量的任一方面。

　　PMD的寿命

　　使电机等设备使用寿命延长的因素同样可以延长PMD的寿命。

相对于其他的调速装置，PMD是工程师最可靠的选择。

5．与变频器相比，独特优点

--稳定性和可靠性比VFD高，在大功率情况下尤其突出。

--在负载要求中，高速运转，功率≥50KW代替VFD优势明显。

--在恶劣的工作环境中的适应力和免维护性，是VFD不具备的。

--与VFD相比，能消除电机的谐波干扰，提高电机的工作效率。

--在电压降低时，VFD可能无法工作，但PMD不受影响。

--低转速时，VFD降低电机的转速，同时降低散热风扇的效率，可能造成电机过热，PMD则不会出现此问题。

--VFD因为谐波问题，需要交流电机，造价高，PMD则无此问题。

--与VFD相比，能消除电机与负载之间的振动传递。

--与VFD相比，维护和保养费用低。

--与VFD相比，能有效延长传动系统各主要部件（如轴承，密封等）寿命。

--允许最大5mm的轴对心偏差。

　　具体比较:

　　PMD是很独特的，它不仅仅是一个调速装置。

它带来了生产力，提高了设备的使用寿命，并且有很多变频器不具备的优点。

有时工程师的要求只能通过电力设备达成，其实PMD才应该是调速装置的最佳选择。

　　轴承的凹槽现象

　　所有的变频器都会对轴承造成一定的损伤，在接触的表面会形成一圈凹槽，从而也产生了噪音和振动。

当电机在负载下面或有一个轴承在负载下面时，这种损害就更大了。

　　能效

　　在总体能效上，PMD能很好的跟变频器相比较。

如下图所示，在负载的平均转速达到电机速度90%以上的时候，PMD是最好的调速装置的选择。

当所需动力最大时，PMD效率也最好。

在速度低于90%时，变频器可能更有效率，但是这种情况只是在所需功率减小时出现。

另外，由变频器制造商提供的效率数据没有将其他冷却设备和其他辅助性设施所需的能量计算在内，包括变压器、滤波器、控制装置、照明设施等。

同时也没有计算电机效率的损失，这是由于当电机速度减慢时谐波增加引起的。

当系统中所有的能量消耗都计算在内时，铭牌上标注效率为95%的变频器，实际上在系统中只有85%甚至更低。

　　举个例子，在一间3000立方英尺的电气室内安装变频器，要保持72华氏度左右的温度，以保护电气设备。

在这种空间里，每小时需要有四次空气转换。

如果外部温度达到92华氏度，通风采暖系统必须使其降低20华氏度。

这一系统的能量消耗可以达到5kw（6.7hp）。

如果这个系统用来冷却一个200hp的电机系统，在满负荷运转时会对变频器系统带来额外的3%的能耗，而在以50%的功率运转时会带来额外的6%的能耗。

既然PMD在很多环境场合下都可以工作，那么就不会像变频器那样有额外的能量消耗。

　　对于离心式负载的节能

　　对于水泵、风机和鼓风机，PMD都可以提供一个很好的节能效果。

尽管在之前的图表中显示在负载低速时，PMD的效率可能在变频器之下，但是当效率转化成实际的千瓦数消耗时，不同之处就变得不合逻辑了。

例如，比较下列情况：

　　每天18小时——全速运转（1800rpm）

　　每天6小时——半速运转（900rpm）

　　全速时，变频器效率——90%

　　半速时，变频器效率——80%

　　全速时，PMD效率——97%

　　半速时，PMD效率——47%

　　变频器平均效率——87%

　　PMD平均效率——84%

　　离心式负载遵循这样法则：

当速度成比例减小时，所需能量则成立方比例减小。

　　如果风机在全速时需要100kw，在半速时就只需要12.5kw。

按照这个法则，当我们决定上述情况所需实际能量时，我们会发现：

　　变频器每天耗能2094kwh

　　PMD每天耗能2015kwh

　　尽管平均效率PMD比变频器要弱3%，但是因为这一法则，PMD实际能耗要比变频器节省4%。

按一年$0.08一度电，PMD可以比变频器节省$2307。

如果负载大部分时间在低速运转，就必须考虑到能耗问题。

使用范围

　　变频器能够在高于同步电机速度的情况下运行，PMD则不能。

当变频器使电机速度下降时，电机线圈中会产生大量的热，而这时电机风扇速度也减慢了。

很多带有变频器的电机不能长时间在低速运转。

PMD可以在同步电机0到98%的速度下运转，电机始终由全速旋转电机风扇冷却，并且可以软启动。

谐波干扰

　　当变频器启动时，能够产生很大的谐波干扰，影响其他设备。

这可能会损害轴承，并且增大了机械设备故障的可能性。

有时，变频器就是其自身的对手。

一台变频器产生的谐波能够引起它旁边设备的故障。

大多数变频器都有滤波器。

滤波器能够吸收一些谐波，同时也有很多谐波没有被吸收而损害了附近的设备。

另外，当电机远离驱动器时，破坏性的谐波会被增强。

很多变频器的制造商都限制变频器与电机之间的距离为300英尺。

大多数变频器的安装中都包括独立的变压器、暂态电压浪涌抑制、功率因数纠正器、线阻抗、电磁干扰滤波器以及其他辅助性装置。

　　俄勒冈州大学的测试演示了PMD和高品质的变频器的区别。

下面这张图表就是在AlanWallace博士发表的文章中截取的。

如图所示，PMD没有被测试到它对其他与之相连的设备会产生谐波。

PMD只是一个简单的机械装置，它对周围系统的功效都没有影响。

电机类型

除了最贵的变频器系统，每一台变频器都要有一台具有转换功能的电机，这要比标准型的电机贵很多。

这就有更多的要求了，比如订购提前期，剩余电机的资本占用。

PMD则不会影响电机类型的选择。

通常，标准电机要便宜一些，而且更加可靠。

对于在任何系统上的安装，PMD都不需要将标准型电机换成转换型电机。

功率品质要求

　　变频器的敏感度使得它只能在功率品质提供很好的情况下安装。

如果变频器不是在一个很好的环境下使用，变频器的寿命就会受影响。

PMD的运行则不会受影响，只要电机在转动，它就在运行。

在功率品质得到关注的地方，驱动装置都可以很好的运行。

对PMD进行的故障测试（模拟短时电压过高和间断）显示，负载的特性在这些情况中都没有可测量的变化。

对变频器进行同样的测试（即模拟三秒钟有两次间断），结果几乎每次变频器都是无效的，并且需要进行维修和/或复位才能再次运行。

在一些电机作为主要的能量来源或进行可靠性测量时，通常不会选择变频器。

谐波干扰也会明显的缩短电机的寿命。

PMD则不会影响。

系统电压

　　随着电压的增加，变频器的成本及复杂性也逐步增加，可靠性降低。

中压电机（6000V或10000V）上的变频器没有得到广泛使用。

这些系统的维护需要专业技术，甚至可能超出了工厂维修人员的能力。

PMD只是简单的机械装置。

它的使用不受系统电压的影响，系统电压对成本也不会有影响。

危险的环境

　　变频器很少能在危险的具有腐蚀性或易爆的环境中使用。

PMD是机械装置，在易爆环境中只有控制器需要进行监测。

在其他危险或具有腐蚀性的环境中，PMD则需要测试，尽管这样PMD仍然比变频器要通用得多。

功率因数比较

　　下一图表是俄勒冈州大学AlanWallace博士在比较变频器与PMD的功率因数的测试时做出的。

Wallace博士得出结论：

在高速时，通过PMD连接和机械连接的功率因数是一样的。

相比较于变频器，PMD在高速时有更好的功率因数，在低速时，因数较低。

但是应该注意的是，PMD低的功率因数要更加容易补偿。

PMD的功率因数是完全由于电压跟电流的变换产生的，然而变频器的功率因数大部分是由于损害部分引起的。

PMD比高质量的变频器有较好的功率因数。

另外，很多变频器无法适应外部环境。

如果系统设计要求外部功率因数补偿，并不会对PMD机器运转带来影响。